Hochleistungsfertigungsverfahren zur Herstellung von Profilnuten (HoFePro)

Problemstellung:
Die Fertigung von Schaufelnuten in hochwarmfesten Nickelbasislegierungen erfolgt in der Prozesskette der Turbinenscheibenfertigung bis heute fast ausschließlich mittels Räumen. Das Räumen zeichnet sich dabei durch Eigenschaften aus, die die Verwendung dieses Verfahrens bis heute rechtfertigen. Die spezialisierte Maschinenkonstruktion, die Verwendung hochgenauer und komplexer Räumwerkzeuge erzeugt eine exzellente Reproduzierbarkeit der Nutengeometrien bei hohem Zerspanvolumen. Bis heute ist der Einsatz von kostengünstigen HSS-Schneidstoffen, die nur relativ niedrige Schnittgeschwindigkeiten zulassen, gegeben. Mit einem Räumwerkzeug kann stets nur eine Profilgeometrie erzeugt werden. Außerdem erfordert das Räumen Sondermaschinen, die in oft einen Engpass in der Fertigung bilden. Gleichzeitig führt eine weltweit stark steigende Nachfrage nach Mobilität zu einem erhöhten Bedarf an Flugzeugen mit stetig steigenden ökologische und ökonomische Anforderungen. Die Fertigung der Profilnuten in den Turbinenscheiben stellt dabei eine Schlüsseltechnologie dar, deren Beherrschung einen Wettbewerbsvorteil für die Deutsche Industrie darstellt.

Projektziele:
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung von Hochleistungsfertigungsverfahren zur Herstellung von komplexen Profilnuten in hochwarmfesten, schwer zerspanbaren Werkstoffen. Schwerpunkt dabei ist die ganzheitliche Bewertung und Auslegung der gesamten Prozesskette mit dem Ziel, die Flexibilität, Prozesssicherheit und Wirtschaftlichkeit unter Berücksichtigung der Ressourceneffizienz zu steigern. Durch die Entwicklung der Hochleistungsfertigungsverfahren und deren Kombination untereinander soll eine Integration einzelner Fertigungsschritte bis zu einer Komplettbearbeitung von Turbinenscheiben auf einer Werkzeugmaschine ermöglicht werden.

Vorgehensweise:
Die Profilnutfertigung lässt sich unterteilen in einen Vorschlitz-, einen Semischlicht- und einen Schlichtprozess. Im Stand der Technik wird die Profilnut vollständig mit dem Schneidstoff HSS geräumt. Im Projekt werden Alternativverfahren zum HSS-Räumen erforscht und entwickelt. Dazu werden Verfahren wie das Fräsen mit verschiedenen kinematischen Konzepten und Schneidstoffen oder das Räumen mit leistungsfähigerem Hartmetall für die Profilnutbearbeitung entwickelt und bewertet. Da die entwickelten Verfahren in den verschiedensten Kombinationen zu Prozessketten zusammengesetzt und erprobt werden, müssen die Wechselwirkungen erforscht und dokumentiert werden. Daraufhin lassen sich alternative Prozessketten definieren, die wiederum gegenüber dem Benchmark HSS-Räumen vergleichend multikriteriell bewertet werden. Der Nachweis der Umsetzbarkeit unter den engen Vorgaben sicherheitskritischer Bauteile wird anhand eines Demonstrators für die beste entwickelte Prozesskette erbracht.

Ergebnisverwertung:
Die im Rahmen des Projektes werden alternative Prozessketten entwickelt und untereinander kombiniert, die die Profilnutfertigung, die einen Schlüsselprozess in der Fertigung hochwertiger Turbinenscheiben einnimmt, produktiver, flexibler und auch kostengünstiger zu gestalten. Weiterhin wird die sehr starke Spezialisierung mit hohen Investitionskosten aufgrund inflexibler und teurer Sondermaschinen durch die Integration der Bearbeitung in ein herkömmliches Bearbeitungszentrum reduziert. Das erlaubt in Zukunft auch KMU in diesem Segment produzierend tätig zu werden. Der Transfer der Ergebnisse in andere Branchen wird erwartet. In der Automobilindustrie können die Ergebnisse beispielsweise in der Fertigung von Turboladerkomponenten, die vermehrt aus schwer zerspanbaren Nickelbasislegierungen bestehen, verwertet werden.

• AEROTECH Peissenberg GmbH & Co. KG
• DMG MORI Pfronten GmbH
• Kennametal Shared Services GmbH
• Rolls-Royce Deutschland Ltd & Co KG
• RWTH Aachen